传热系数

6．3．2 蒸发过程的传热系数

蒸发中的传热系数K是影响蒸发设计计算的重要因素之一。根据传热学知识知

（6-6）

上式忽略了管壁厚度的影响。式中蒸汽冷凝传热系数αo可按膜式冷凝的公式计算；管壁热阻RW往往可以忽略；污垢热阻Rs可按经验值估计，确定蒸发总传热系数K的关键是确定溶液在管内沸腾的传热膜系数ai。研究表明影响ai的因素较多，如溶液的性质、浓度、沸腾方式、蒸发器结构型式及操作条件等，具体计算可参阅有关文献[1,6]。

一、总传热系数的经验值

目前，虽然已有较多的管内沸腾传热研究，但因各种蒸发器内的流动情况难以准确预料，使用一般的经验公式有时并不可靠；加之管内污垢热阻会有较大变化，蒸发的总传热系数往往主要靠现场实测。表6-1给出了常用蒸发器的传热系数范围，可供参考。

表6-1 常用蒸发器传热系数K的经验值

蒸发器的型式总传热系数K, W / (m2K)

标准式（自然循环）600～3000

标准式（强制循环）1200～6000

悬筐式600～3000

升膜式1200～6000

降膜式1200～3500

二、提高总传热系数的方法

管外蒸汽冷凝的传热膜系数αo通常较大，但加热室内不凝性气

体的不断积累将使管外传热膜系数αo减小，故须注意及时排除其中的不凝性气体以降低热阻。管内沸腾传热膜系数αi涉及到管内液体自下而上经过管子的两相流动。在管子底部，液体接受热量但尚未沸腾，液体与管壁之间传热属单相对流传热，传热系数较小；沿管子向上，液体逐渐沸腾汽泡渐多，起初的传热方式与大容积沸腾相近。由于密度差引起的自然对流会造成虹吸作用，管中心的汽泡快速带动液体在管壁四周形成液膜向上流动，流动液膜与管壁之间的传热膜系数逐渐增加并达最大值。但如果管子长度足够，沿管子再向上液膜会被蒸干，汽流夹带着雾滴一起流动，传热系数又趋下降。因此，为提高全管长内的平均传热系数，应尽可能扩大膜状流动的区域。

管内壁液体一侧的污垢热阻Rs与溶液的性质、管内液体的运动状况有关。由于溶液中常含有少量的杂质盐类如CaSO4、CaCO3、Mg(OH)2等，溶液在加热表面汽化会使这些盐的局部浓度达到过饱和状态，从而在加热面上析出，形成污垢层。尤其是CaSO4等，其溶解度随温度升高而下降，更易在传热面上结垢，且质地较硬，难以清除；以CaCO3为主的垢层质地虽软利于清除，但导热系数较小；此外，垢层的多孔性也使其导热系数较低。所以即使厚度为1～2mm 的垢层也具有较大的热阻。为降低Rs，工程上可采取定期清理、提高循环速度、加阻垢剂，或添加少量晶种使易结晶的物料在溶液中而不是在加热面上析出等方法。

6．3．3 溶液的浓缩热及焓浓图

图6-12 氢氧化钠水溶液的焓浓图

在工程计算中，经常要确定一定压力下溶液某个状态相对于另一特定状态的热焓变化。为方便计，多以0℃为热焓计算基础。同样，蒸发设计计算中也按此来计算蒸发所涉及的焓变。对于纯物质，当所考虑的两个状态不存在相变时，常以比热及温度表示两状态的焓

差即

ΔH=Cpt2-Cpt1（6-7）

对于稀溶液，这种关系近似成立。但对于某些溶液，这种近似将会给工程计算带来显著误差。例如，CaCl2、NaOH等水溶液，当被浓缩时，除需供给蒸发水分所必需的汽化潜热外，还需供给与稀释这些盐时所放出的稀释热所相当的浓缩热；而且浓度愈大，这种影响愈显著。这时，进行蒸发计算时，其溶液的焓值就必须通过焓浓图查取。

图6-12是以0℃为基准的NaOH水溶液的焓浓图。图中横坐标为NaOH水溶液的浓度，纵坐标为溶液的焓值。若已知溶液的浓度和温度，即可由图中相应的等温线查得该溶液的焓值。

单效蒸发的主要计算内容有：单位时间内的蒸发水量W(kg/s)，简称蒸发量；加热蒸汽消耗量D(kg/s)；蒸发器的传热面积A。

通常已知的条件有：原料的流量F(kg/s)、料液的温度t0和浓度（质量分率，下同）x0、完成液的浓度x1、加热蒸汽的压强Ｐ或饱和温度Ｔ、冷凝器内的压强Po。

单效蒸发的计算涉及蒸发器的物料衡算、热量衡算及传热速率方程。

6.4.1 蒸发器的物料衡算

单效蒸发装置如图6-13所示。在稳态操作下，单位时间内随原料进入蒸发器的溶质质量与随完成液离开蒸发器的溶质质量相等，

即

Fx0 = (F-W)x1（6-8）

得水份蒸发量（6-9）

完成液浓度（6-10）

完成液量 L＝F－Ｗ＝Fx0/x1 （6-11）